王 禮，劉國華，揭其良

專論

超超臨界燃煤機組AGC及一次調(diào)頻優(yōu)化

王 禮，劉國華，揭其良

（華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030）

針對某電廠超超臨界燃煤機組AGC及一次調(diào)頻控制系統(tǒng)存在的問題給出優(yōu)化方案。增加前饋和解耦邏輯，協(xié)調(diào)機、爐動態(tài)特性之間的差異。試驗證明，該方案提高了電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，減少了電網(wǎng)頻率的波動，增強了電網(wǎng)的抗事故能力。

超超臨界燃煤機組；AGC；一次調(diào)頻；優(yōu)化

隨著國民經(jīng)濟和電力事業(yè)的快速發(fā)展，電網(wǎng)的容量越來越大，因電網(wǎng)用電結(jié)構(gòu)和電源構(gòu)成變化引起的負荷峰谷差逐步加大，電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制越來越復(fù)雜，一次調(diào)頻和AGC（自動發(fā)電控制）已經(jīng)成為現(xiàn)代電網(wǎng)控制的基本和重要功能［1］。

電網(wǎng)頻率是電力系統(tǒng)運行的重要控制參數(shù)，直接影響到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行及用電設(shè)備的使用壽命和安全［2］。為了提高電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，減少電網(wǎng)頻率的波動，增強電網(wǎng)抗事故能力，各發(fā)電機組必須具備一次調(diào)頻和AGC的能力，也就是發(fā)電機組能夠根據(jù)電網(wǎng)頻差和電網(wǎng)調(diào)度中心的負荷需求進行調(diào)頻、調(diào)峰，并且滿足電網(wǎng)公司要求的技術(shù)指標和行業(yè)標準，為此，各個省、網(wǎng)公司也提出了相關(guān)規(guī)定［3-5］。

1 概述

某電廠2臺600 MW超超臨界燃煤機組，鍋爐選用的是哈爾濱鍋爐集團股份有限公司引進日本三菱技術(shù)制造的超超臨界參數(shù)變壓運行直流爐，為單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、墻式切圓燃燒、半露天結(jié)構(gòu)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型布置；汽輪機選用的是哈爾濱汽輪機有限公司生產(chǎn)的超超臨界、一次中間再熱、單軸、兩缸兩排汽、單背壓、凝汽式、八級非調(diào)整回?zé)岢槠啓C。

單元機組控制采用西屋公司的OVATION分散控制系統(tǒng)，設(shè)計包含DAS、BMS、MCS、SCS和DEH等系統(tǒng)。

機組投運以來AGC和一次調(diào)頻運行品質(zhì)一直不佳，負荷跟隨性較差，過熱度等主要被控參數(shù)易出現(xiàn)較大幅度的波動，一次調(diào)頻各項技術(shù)指標均不能滿足電網(wǎng)要求。經(jīng)分析，機組原協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及閉環(huán)控制子系統(tǒng)、一次調(diào)頻邏輯存在方案設(shè)計不合理、控制參數(shù)整定不佳等問題。根據(jù)實際運行觀察及控制邏輯研究分析，制定了AGC及一次調(diào)頻優(yōu)化方案，并修改了原有AGC及一次調(diào)頻控制邏輯，針對部分閉環(huán)控制子系統(tǒng)由于設(shè)備及控制策略原因而控制品質(zhì)不佳的問題提出了解決方案。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試及試驗，優(yōu)化后協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及各閉環(huán)控制子系統(tǒng)已投入運行，并經(jīng)過變負荷、AGC及一次調(diào)頻聯(lián)調(diào)試驗，機組在AGC方式下的運行品質(zhì)和一次調(diào)頻能力顯著提高。

2 AGC和一次調(diào)頻存在的問題

2.1 AGC存在的問題

機組原協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在投入AGC運行時負荷跟隨情況具有局限性，在變負荷過程中由于煤、水比控制不佳使得過熱度波動幅度較大，易超溫。經(jīng)分析，原協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要存在如下問題。

a.協(xié)調(diào)方式下汽輪機、鍋爐通過2個單回路PID同時調(diào)節(jié)功率和主汽壓力，未采取有效手段解耦，在兼顧壓力平穩(wěn)的同時難于達到較高的變負荷速率。

b.中間點過熱度控制只能校正機組運行時工況與設(shè)計工況的偏差，不能校正由于煤質(zhì)、運行方式改變而引起的長期偏移，在不同負荷下的參數(shù)適應(yīng)性較差。

c.由于煤質(zhì)的問題，在機組處于高負荷運行時經(jīng)常使制粉系統(tǒng)負荷達上限，對機組協(xié)調(diào)控制性能造成影響。

d.機組所配備的送、引風(fēng)機偏小，在煤質(zhì)較差時快速升負荷易使風(fēng)機容量達上限，影響控制品質(zhì)。

2.2 一次調(diào)頻存在的問題

機組原協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在一次調(diào)頻動作后，機組煤量、水量波動較大，進一步影響汽溫汽壓的波動。一次調(diào)頻指令的處理方式?jīng)]有考慮其特殊性，機組一次調(diào)頻功能在協(xié)調(diào)方式下投入時易使鍋爐側(cè)調(diào)節(jié)出現(xiàn)大幅波動，影響機組穩(wěn)定，參數(shù)設(shè)置也不合理，造成一次調(diào)頻基本不起作用。經(jīng)分析，原協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要存在如下問題。

a.簡單一次調(diào)頻指令與機組實際負荷指令簡單相加，作用在鍋爐主控時，一次調(diào)頻的頻繁動作造成機組煤量、水量波動較大；作用在汽輪機主控時，滯后環(huán)節(jié)使一次調(diào)頻的響應(yīng)時間太慢，造成一次調(diào)頻基本不起作用。

b.一次調(diào)頻的前饋作用不足，進一步造成一次調(diào)頻的作用太弱，甚至不起作用。

3 AGC優(yōu)化方案

3.1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

增加前饋和解耦邏輯，在機、爐協(xié)調(diào)控制方案中采用前饋和解耦方法協(xié)調(diào)機、爐動態(tài)特性之間的差異，該方案的特點在于，穩(wěn)態(tài)時具有很好的穩(wěn)定性和抗干擾能力，在動態(tài)變負荷時通過負荷指令、壓力定值信號的綜合前饋信號很好補償了鍋爐側(cè)的大滯后特性，使得機組在快速變負荷的同時也能保證主要被控參數(shù)的穩(wěn)定性。鍋爐主控和汽輪機主控邏輯修改如圖1和圖2所示。

圖1 鍋爐主控

圖2 汽輪機主控

3.2 給水控制系統(tǒng)

超超臨界機組的給水控制系統(tǒng)不像汽包爐那樣獨立于協(xié)調(diào)控制之外［6-8］，必須與協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)緊密聯(lián)系設(shè)計，考慮與燃料控制的協(xié)調(diào)性。采用適當(dāng)手段協(xié)調(diào)在增減負荷時燃料、給水相互匹配的問題，使機組在變負荷及穩(wěn)態(tài)下受擾動時均具有良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。主要涉及修改內(nèi)容如下。

在升、降負荷時，煤、水會有一定的超調(diào)量，同時根據(jù)煤、水系統(tǒng)特性的不同協(xié)調(diào)二者的動作次序。

3.3 燃料控制系統(tǒng)

超超臨界機組的煤水比率是否合適直接關(guān)系到機組汽溫的穩(wěn)定及整個協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的運行情況［9-10］，因此，必須與協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)緊密聯(lián)系設(shè)計。在煤水比控制上設(shè)計可對全負荷工況進行整體校正的過熱度校正回路，并采用適當(dāng)手段協(xié)調(diào)在增減負荷時燃料、給水相互匹配的問題，使機組在變負荷及穩(wěn)態(tài)下受擾動時均具有良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。主要修改內(nèi)容如下。

原燃料控制系統(tǒng)的主要問題是，因為煤質(zhì)變化較大，風(fēng)／煤交叉限制回路、水／煤交叉限制回路經(jīng)常動作，產(chǎn)生煤水比控制系統(tǒng)的積分飽和，使得煤水比控制系統(tǒng)在煤質(zhì)變化時的適應(yīng)性較差。因此增加消除控制中產(chǎn)生積分飽和的邏輯，這樣可保證控制邏輯中各項前饋系數(shù)及PID參數(shù)與煤質(zhì)變化相適應(yīng)，消除由于燃料量熱值變化對控制系統(tǒng)造成的影響。

3.4 AGC優(yōu)化試驗與結(jié)論

AGC方式下負荷由降轉(zhuǎn)升考核試驗。機組以8 MW／min速率從425 MW降至330 MW再升至375 MW。該階段變負荷試驗的主要參數(shù)變化情況如表1所示。

表1 變負荷試驗參數(shù)變化

該階段變負荷試驗的負荷、壓力、煤水比變化曲線如圖3所示。

試驗結(jié)果分析：負荷及主汽壓力、主汽溫度均控制良好，機組運行穩(wěn)定。

4 一次調(diào)頻優(yōu)化方案

圖3 變負荷試驗曲線

機組額定出力為600 MW，機組的2套控制系統(tǒng)（DCS及DEH系統(tǒng)）均設(shè)計有一次調(diào)頻功能，一次調(diào)頻死區(qū)為±0.033 Hz（2 r／min），最大調(diào)頻負荷為±6%額定負荷，即±36 MW。

將一次調(diào)頻指令分離出來單獨處理。使其作用在鍋爐主控時不參與超調(diào)和PID調(diào)節(jié)，只作為前饋，從而避免機組煤量、水量的大幅度波動；作用在汽輪機主控時，直接作用到PID調(diào)節(jié)器，加快一次調(diào)頻響應(yīng)時間。

一次調(diào)頻實際考核曲線如圖4所示，當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時，機組負荷響應(yīng)迅速，遲延時間為1～2 s，并且滿足電網(wǎng)發(fā)電機組一次調(diào)頻運行管理規(guī)定的各項指標要求，一次調(diào)頻性能指標明顯提高。

圖4 一次調(diào)頻考核曲線

5 建議

a.由于所在電網(wǎng)風(fēng)電較多，電網(wǎng)頻率頻繁波動，使得機組一次調(diào)頻頻繁動作，在AGC方式下機組指令也呈無規(guī)則的鋸齒波狀變化，這給機組造成很大擾動，為了保證機組的安全穩(wěn)定運行，必須注意適時進行啟、停磨的操作，同時注意各給煤機的偏置設(shè)置，以保證整個燃料系統(tǒng)和每臺制粉系統(tǒng)的調(diào)節(jié)裕量。

b.為了滿足電網(wǎng)對機組負荷變化率的要求，在快速變負荷時汽輪機調(diào)門會適當(dāng)提前動作一定負荷以利用鍋爐蓄熱，同時爐側(cè)的給水量和燃料量會有一定超調(diào)，此時會使水冷壁出口的過熱度出現(xiàn)一定程度的波動，特別是在指令的方向不斷變化時，過熱度的波動也會較大，這是正常調(diào)節(jié)過程，不必頻繁修改水冷壁出口過熱度設(shè)定值。

c.在AGC方式下，頻繁啟、停磨不但增加運行人員的操作難度，而且還會對水冷壁出口的過熱度造成很大影響，因此，在啟、停磨過程中須采取措施盡量減少這種影響。

d.機組實際運行曲線如圖5所示，機組AGC跟蹤曲線如圖6所示。在機組穩(wěn)態(tài)運行和進行大幅度變負荷時，實際功率跟隨情況良好，各主要被控參數(shù)波動幅度在允許范圍內(nèi)，滿足投入AGC情況下的穩(wěn)定運行。

圖5 機組實際運行曲線

圖6 機組AGC跟蹤曲線

6 結(jié)束語

機組一次調(diào)頻性能試驗結(jié)果滿足電網(wǎng)的要求，當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生波動時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)能快速動作使機組負荷響應(yīng)迅速變化，同時，機組主要參數(shù)的波動幅度很小，不影響運行穩(wěn)定，延長了機組設(shè)備的壽命，提高了電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。

［1］ 朱北恒.火電廠熱工自動化系統(tǒng)試驗［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［2］ 陳小強，項 謹，魏路平，等.1 000 MW機組一次調(diào)頻性能優(yōu)化［J］.中國電力，2010，43（4）：63-66.

［3］ 吳 朋.大型超臨界機組先進控制策略研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2006.

［4］ 張 斌.直流鍋爐機組一次調(diào)頻功能控制策略分析［J］.江蘇電機工程，2003，22（l）：21-22.

［5］ 金 豐，陳建國.火電機組一次調(diào)頻和AGC性能優(yōu)化分析［J］.東北電力技術(shù)，2014，35（5）：7-10.

［6］ 王家興，白 焰，董 玲，等.超臨界600MW機組直流爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及AGC策略的改進與應(yīng)用［J］.熱力發(fā)電，2008，37（12）：85-89.

［7］ 蘇 燁，張 鵬，卓魯鋒，等.AGC模式下超臨界機組協(xié)調(diào)控制策略的完善及應(yīng)用［J］.浙江電力，2010，29（2）：26-29.

［8］ 姚 遠，潘秀秦，揭其良，等.火電機組汽動引風(fēng)機改造控制策略研究［J］.東北電力技術(shù).2014，35（4）：24-26.

［9］ 胡振鳳，閆 江.哈三電廠600 MW機組AGC全范圍自動控制分析［J］.電站系統(tǒng)工程，2010，26（2）：92-92.

［10］ 李建軍，王 禮，王英薈.超（超）臨界燃煤機組一、二次調(diào)頻研究與應(yīng)用［J］.東北電力技術(shù)，2012，33（8）：13-16.

Optimization of Primary Frequency Regulation and AGC for Ultra-Supercritical Coal Fired Units

WANG Li，LIU Guo?hua，JIEQi?liang
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou，Zhejiang 310030，China）

According to the problems in the primary frequency regulation and AGC control system，the optimal solution for an ultra?su?percritical coal fired units in given substation is proposed.The feed?forward and decoupling logic are added to coordinate the difference of dynamic characteristics between boiler and turbine.The results show that this project can improve the stability of the grid，reduce the grid frequency fluctuation and enhance the ability of the grid to against accidents.This project can be used widely.

Ultra?supercritical coal fired units；AGC；Primary frequency regulation；Optimization

TK621.6

A

1004-7913（2015）07-0001-04

王 禮（1980—），男，高級工程師，主要從事熱工自動控制技術(shù)研究。

2015-03-17）